金纳米颗粒掺杂PEDOT多孔导电聚合物的电化学合成及其亚硝酸盐传感应用

宋 瑱，范高超，战书函，马艺慧，罗细亮

(青岛科技大学 化学与分子工程学院，山东 青岛 266042)

硝酸盐和亚硝酸盐在肉制品中常被用作着色剂，它们可与蛋白质结合以保持肉制品的颜色和香味，同时具有抗菌、防腐的作用[1]。过量的亚硝酸盐会氧化血液中的Fe2+变为Fe3+，使血红蛋白发生不可逆氧化[2-3]。亚硝酸盐过度使用的危害越来越引起广泛关注，其检测方法有毛细管电泳法[4]、化学发光法[5]、色谱分析法[6]和分光光度法[7]。其中，分光光度法由于所用设备简单和选择性良好而得到广泛应用，但其步骤复杂、耗时长且操作繁琐，难以用于批量检测。电化学方法成本低、操作简单、反应快、省时，克服了上述不足。近年来，电化学传感器对亚硝酸盐的检测受到了关注。

导电聚合物、金属及金属氧化物材料作为典型的电化学材料多用于电化学传感器的构建。在众多的导电聚合物材料中，聚3，4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)因具有良好的导电性[8]、环境稳定性[9]、适宜的带隙宽度[10]、生物相容性[11]脱颖而出，但其在氧化还原过程中对目标物的催化活性相对较低。经金属纳米颗粒或金属氧化物纳米颗粒修饰后的电极因具有高的催化效率[12-13]而备受关注，许多贵金属材料，包括Pd[14]、Ag[15]、Pt[16]、Au[17]和金属合金[18-19]有助于克服PEDOT的局限性。将Au纳米颗粒掺杂在PEDOT中形成纳米结构的金属导电聚合物复合材料，既可以发挥Au纳米颗粒的高催化活性[20]，又可以利用多孔导电聚合物导电性良好[21]、比表面积大[22]等优势。

灵敏度是衡量生物传感器和化学传感器的重要因素。修饰电极的大比表面积可以提供更多的反应活性位点，大大提高传感器的灵敏度[23]，三维纳米孔结构的巨大比表面积能最大限度地利用纳米结构的优点，改善电解液与电极之间的离子传输，提高传感器的灵敏度。三维纳米多孔结构通常有两种制备方法：①软模板法，即利用有机超分子作为模板剂[24]，反应物通过非共价键形成理想结构。软模板一般由两亲分子聚集而成，如胶束[25]、小泡[26-27]、溶致液晶相(LLC)[28]等，因此制备的纳米结构形状和大小无法控制。②硬模板法，通过将有机单体聚合到模板的间隙空间，随后将模板去除，所制备的纳米结构形状和尺寸可控[29-31]。

本文采用硬模板法构建了一个基于AuNPs掺杂三维多孔纳米导电聚合物的亚硝酸盐传感器。由于三维多孔纳米材料巨大的比表面积和金纳米颗粒良好的催化性能，使传感器具有优异的灵敏度，并成功应用于实际样品(香肠)中亚硝酸盐的检测，在食品安全检测方面具有一定的应用前景。

1 实验部分

1.1 材料与设备

金纳米颗粒(直径10 nm，柠檬酸钠作为稳定剂)、3，4-乙烯二氧噻吩(EDOT)、单分散羧基改性聚苯乙烯纳米微球(PS，0.3 μm，25 g/L)、D(+)-葡萄糖、抗坏血酸(AA)、苯甲酸钠、山梨酸钾、柠檬酸钠均购于阿拉丁试剂公司(上海)。实验用水为Milli-Q净水系统制得的去离子水(18 MΩ·cm)。电化学实验在CHI760D电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)上进行，采用三电极体系，其中玻碳电极(GCE)为工作电极，铂丝电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极。扫描电子显微镜(SEM)、能量色散谱(EDS)(JEOL JSM-7500F SEM仪器，日立高科技有限公司)；AR224CN型电子天平(上海奥豪斯仪器有限公司)；DZ-1BCⅡ型真空干燥箱(天津泰斯特仪器有限公司)；KQ-500E型超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司)；Zeta电位仪Malvern zeta sizer Nano ZS90(Malvern Instruments Ltd.，UK)。

1.2 玻碳电极的处理

玻碳电极依次用0.3 μm和0.05 μm的氧化铝粉末抛光处理后，用乙醇和水超声清洗3 min，使用前用N2将电极表面吹干。

1.3 多孔AuNPs/PEDOT修饰电极的制备

多孔AuNPs/PEDOT修饰电极的制备过程如图1所示：首先，采用垂直沉积法将聚苯乙烯(PS)纳米微球(直径约300 nm)[32]组装在干净的玻碳电极表面。PS胶体溶液用水稀释20倍后,超声约10 min。将玻碳电极从离心管侧壁垂直插入，加入PS胶体溶液使其没过电极表面，将其置于60 ℃烘箱烘干12 h，PS模板成功地修饰在玻碳电极表面。其次，将AuNPs和EDOT通过电沉积的方法沉积在电极表面。将组装好PS微球模板的玻碳电极接入电化学工作站，放入沉积液(10 μL金纳米粒子胶体溶液，10 μL EDOT溶液分散在5 mL水)中进行电化学沉积，采用电流时间曲线(I～t法)，电位设为1.1 V，扫描速度为100 mV/s，聚合时间为250 s。沉积完成后用水对电极表面进行冲洗，洗去吸附在表面的AuNPs和未聚合的EDOT。最后，除去PS模板球以得到多孔结构，室温下将上述电极浸泡在氯仿溶液中3 h，PS微球溶于氯仿得到多孔修饰电极，经乙醇、水反复冲洗后备用。在相同的条件下，利用相同的方法制备了多孔柠檬酸/PEDOT修饰电极，但沉积液组成中只有EDOT和柠檬酸，不含有AuNPs。

图1 3D多孔AuNPs/PEDOT纳米复合材料的制备示意图Fig.1 Illustration of the fabrication process of 3D porous AuNPs/PEDOT

2 结果与讨论

2.1 修饰电极表面形貌及元素组成的表征

修饰电极的扫描电镜图像如图2所示。由图可见，PS纳米微球(直径约300 nm)在电极表面呈现多层且均匀排布(图2A、2B)。当AuNPs和EDOT在多层PS纳米微球的间隙空间聚合并除去模板球后，得到三维多孔结构(图2C、2D)。由于AuNPs的存在，EDOT不仅沉积在PS纳米微球模板的间隙内，还以AuNPs为核进行聚合，形成珊瑚状表面(图2C、2D)。

图2 PS模板(A、B)、多孔AuNPs/PEDOT纳米复合材料薄膜(C、D)的扫描电镜图以及多孔修饰电极S元素和Au元素(E、F)的EDS扫描图Fig.2 SEM images of PS nanospheres(A,B)and 3D porous AuNPs/PEDOT(C,D)electrodes; and EDS mapping of S element(E)and Au element(F)of the porous AuNPs/PEDOT sample

图3 不同修饰电极在5.0 mmol/L[Fe(CN)6]3-/4- 中的CV曲线 Fig.3 Cyclic voltammograms of the electrodes with existence of 5.0 mmol/L[Fe(CN)6]3-/4- a.PS/GCE,b.PS/AuNPs/PEDOT/PS/GCE,c.bare GCE，d.3D-porous AuNPs/PEDOT/GCE；scan rate：100 mV·s-1； PBS buffer:pH 7.4,10 mmol/L

为验证三维多孔AuNPs/PEDOT复合物电极的成功构建，对AuNPs进行了Zeta电位测试，对修饰电极进行了EDS测试和循环伏安扫描。在电聚合的过程中，PEDOT骨架呈电正性[33]，需要一个电负性的物质作为掺杂剂，而AuNPs的Zeta电位为-29.6 mV，说明AuNPs可作为掺杂剂参与聚合反应。通过EDS对多孔AuNPs/PEDOT纳米复合材料的组成进行研究，可见纳米复合材料中含有S元素、Au元素(图2E、2F)，其分别来自于EDOT和AuNPs，表明修饰电极已成功制备。同时，根据电镜图所显示的排列方式进行了理论计算，3个紧密排列的PS纳米微球的间隙直径约为46 nm，而AuNPs的直径约为10 nm，所以AuNPs可以很容易地进入模板间隙。

图3显示了不同修饰电极的循环伏安(CV)曲线。由于PS纳米微球是绝缘的，所以在修饰PS(曲线a)后其氧化还原峰电流均低于裸玻碳电极(曲线c)。当沉积上AuNPs和PEDOT后，PS/AuNPs/PEDOT/GCE的峰电流(曲线b)明显提高，这来源于AuNPs和EDOT优良的导电性。将模板球去除得到三维多孔的修饰电极，其峰电流(曲线d)进一步增大，这与多孔纳米结构拥有大比表面积可以加速电子传递，从而降低修饰电极阻抗的结论相一致。

2.2 修饰电极对亚硝酸盐的电催化氧化

3D纳米多孔AuNPs/PEDOT修饰电极拥有巨大的比表面积和良好的导电性，为其良好的电催化性能奠定了基础。本实验通过CV法比较了亚硝酸盐在不同修饰电极上的电化学反应情况(图4)。将裸电极和多孔修饰电极分别在不含亚硝酸钠的溶液和含有1.0 mmol/L亚硝酸钠的溶液中进行CV扫描，裸玻碳电极在两种溶液中均无明显的响应；修饰电极在亚硝酸钠溶液中于0.77 V左右出现了1个氧化峰(图4A曲线d)。为进一步探究柠檬酸和PEDOT复合物修饰电极对亚硝酸盐的催化，以确定催化过程中AuNPs的作用,对不同的修饰电极在含有1.0 mmol/L亚硝酸钠的溶液中进行CV扫描(图4B)。三维多孔AuNPs/PEDOT修饰电极(曲线d)对亚硝酸盐的催化性能明显强于三维多孔citrate/PEDOT修饰电极(曲线b)，同时较平面电极(曲线c)也有很大的优势。

图4 不同电极在缺乏(a，c)和存在(b，d)1.0 mmol/L亚硝酸钠时的CV曲线(A)；以及不同电极在1.0 mmol/L亚硝酸钠中的CV曲线(B)
Fig.4 Cyclic voltammograms of different modified electrodes without (a,c)and with (b,d) 1.0 mmol/L NaNO2(A)； cyclic voltammograms of different modified electrodes in 1.0 mmol/L NaNO2(B)
A.a,b:bare GCE,c,d:3D porous AuNPs/PEDOT/GCE; B.a.bare GCE,b.3D porous citrate/PEDOT/GCE,c.planar AuNPs/PEDOT/GCE,d.3D porous AuNPs/PEDOT/GCE； potential scope:0.5-1.0 V； scan rate：100 mV·s-1;0.2 mol/L PBS

2.3 亚硝酸盐传感器的条件优化

探究了AuNPs和EDOT沉积到电极表面的沉积时间和亚硝酸盐检测时工作电位的影响，结果表明，随着沉积时间的增加，三维多孔AuNPs/PEDOT修饰电极对亚硝酸盐的响应电流逐渐增加，在250 s时达最大值，此后随着沉积时间的增大响应电流逐渐减小。这是由于沉积时间直接决定AuNPs和PEDOT的量，少量的AuNPs和PEDOT复合物不足以电催化氧化亚硝酸盐，然而沉积量过多会使电极表面膜过厚而降低催化性能。同时，固定沉积时间改变工作电位，所得结果与上述沉积时间的影响趋势类似，当工作电位为0.77 V时，响应电流达到最大。因此，实验选择最优沉积时间250 s，工作电位0.77 V。

2.4 传感器对亚硝酸盐的测定

修饰电极(porous AuNPs/PEDOT/GCE)的I～t电流曲线如图5所示，在0.77 V工作电压下，将不同浓度的亚硝酸钠依次注入连续搅拌的PBS溶液(pH 7.4,0.2 mol/L)中。该传感器在0.2～2 200 μmol/L浓度范围内对亚硝酸盐具有很好的响应，检出限(S/N=3)为70 nmol/L。与以往的类似传感器相比，本工作的传感器制备简单，性能较为优异(见表1)。

图5 多孔AuNPs/PEDOT/GCE在搅拌状态下的PBS溶液(pH 7.4，0.2 mol/L)中连续加入不同浓度亚硝酸钠的I～t响应曲线 Fig.5 Amperometric responses of the modified electrode in stirring PBS(pH 7.4,0.2 mol/L)with adding nitrite continuously concentration of nitrite:0.15,0.5,0.6,0.8,1.0,1.5,2.0,3.0,5.0,7.0,15,20,25,30,40,50,60,70, 80,90,100,130,160,200,240,300 μmol/L;potential：0.77 V；insert:magnified portion of the amperometric response curve

Electrode materialLinear range(μmol/L)Detection limit(μmol/L)Reference3D-P-PEDOT0.5～9 200 0.2[34]Au-CAb/IL/Hb-CPE5～1 320 1.3[35]np-PdFe500～25 500 0.8[36]Au/ZnO/MWCNTs0.78～400 0.4[37]AuNPs/SGc10～3 960 0.2[38]CNT/PPya/Pt0.5～3 000 0.5[39]3D porous AuNPs/PEDOT0.2～2 200 0.07This work

a:polypyrrole;b:carbon aerogel;c:sulfonated graphene

2.5 电化学传感器的重现性、稳定性与选择性

利用5支电极对相同浓度(含1.0 mmol/L NaNO2)的亚硝酸盐进行检测以考察传感器的重现性，测得5支电极的相对标准偏差(RSD)为2.6%。将修饰电极放置1个月后测得其电流响应为初始值的89%。结果表明本传感器具有良好的重现性和稳定性。

实验考察了传感器的选择性，在0.77 V的恒电压下，利用I～t曲线，在连续搅拌的PBS溶液中依次加入10 μmol/L亚硝酸钠，以及100 μmol/L的葡萄糖、苯甲酸钠、山梨酸钾、抗坏血酸、柠檬酸钠(干扰物/亚硝酸钠的浓度比为10)，发现上述干扰物的电流响应远小于亚硝酸盐，表明该传感器具有较好的选择性。

表2 亚硝酸盐传感器用于火腿肠实际样品的检测结果(n=3)Table 2 Results for nitrite determination in sausage samples(n=3)

*ultraviolet spectrophotometry was performed according to the PRC National Standard(GB7493-87)

2.6 实际样品的检测

选取几个品牌的火腿肠，利用硼砂、铁氰化钾和乙酸锌依次对火腿肠进行处理[40]，成功提取其中的亚硝酸盐，并分别利用紫外分光光度法(GB7493-87)[41-42]和本实验制备的传感器进行检测，由表2可见，本方法和标准方法的测试结果一致。

3 结 论

本文构建了一种基于AuNPs掺杂PEDOT纳米多孔导电聚合物的电化学传感器用于亚硝酸盐检测。纳米多孔结构使修饰电极相较于平面电极拥有更大的比表面积和更好的导电性，显著增强了传感器的灵敏度；掺杂AuNPs极大地提高了电极对亚硝酸盐的催化效率。该传感器通过一步法电聚合制备，方法简单、快速、重现性好，用于实际样品的检测，具有潜在的应用前景。